Membranas
Barreras de permeabilidad selectiva indispensables para el desarrollo de diferentes formas de vida,
Adquisición de nutrientes y distribución de metabolitos
Excreción de desechos metabólicos
Transducción de energía
Modulación del pH
Modulación de la presión osmótica (turgencia)
Transducción de señales
Compartimentación de defensas químicas
Bicapa lipídica, base estructural de las membranas se forma
debido al carácter anfipático de los lípidos compuestos. El carácter fuertemente hidrofóbico de las colas no polares explica la formación de estos sistemas cerrados y su
Procesos a través de los cuales mantienen esas diferencias
fosfoglicérido
esfingolípidos C O C C C H2 C H NH HO H C C C H2 C H NH HO H O P O O
O CH2CH2N+(CH )3 3
La fluidez de cada membrana depende de su función biológica y es modulado en parte por la longitud y el nº de insaturaciones cis en los restos acilo
O H2 H H2 O C-O -C C-O -C C-O HO HO OH O
HOCH 2 galactosilglicéridos
O O O P O H2 H H2 O C-O -C C-O -C
C-O CH3
CH3 CH3 CH2 N+ CH2
fosfoglicéridos 90% células vegetales
50% en células animales
movimiento vertical
rotación
flexión flip-flop
difusión lateral
Mosaico fluido
Los fosfolípidos pueden rotar sobre su eje, subir y bajar, desplazarse lateralmente,
flexionar las colas no polares e incluso pasar de una capa a la otra de la bicapa (flipasas).
Esteroides
Colesterol, sitosterol, estigmasterol también modulan la fluidez de las membranas. Interrumpen interacciones entre las colas no polares aumentando la fluidez, lo cual evita un mayor endurecimiento a bajas temperaturas, pero a altas temperaturas interfieren con el movimiento de flexión de las colas, disminuyendo la fluidez.
Las proteínas, que ocupan el segundo lugar en abundancia en las membranas, cumplen los roles funcionales tales como la recepción de señales y el transporte de moléculas que por razones estructurales no pueden atravesar la membrana.
oligosacáridos (asimetría)
proteínas periféricas proteínas integrales
Proteínas
Proteínas de membrana
Integrales
Periféricas
Transmembrana
Proteínas transmembrana: receptores de señales (hormonas, luz, aromas) reconocimiento,
transportadores de iones y moléculas, bombas, canales iónicos y ATPasas.
Proteínas integrales
hidrofóbicas
interacciones iónicas cara exoplasmática
cara
hidrofóbicas
interacciones iónicas
interacciones iónicas cara exoplasmática
endoplasmática
oligosacáridos
Reconocimiento
interacciones
glicoforina
opsina bacteriana (luz)
retinal
interacciones iónicas
hidrofóbicas
retinal
interacciones iónicas
hidrofóbicas interacciones
N-acetilglucosamina inositol
manosa
manosa -manosa manosa
N- acetilgalactosamina
Proteína
Proteína Proteína
bicapa lipídica
resto prenilo
restos acilo grasos
Proteínas ancladas: unidas en forma covalente a anclas lipídicas: ácidos grasos,
grupos prenilo, colesterol, fosfatidilinositol, ceramidilinositol.
glicano proteína membrana
glicano
ceramidil inositol
proteína membrana
Arabinogalactanoproteína
actina F
integrina
proteoglicano
fibronectina
membrana plasmática
Proteínas periféricas
Interaccionan con proteínas integrales o con las cabezas polares de los fosfolípidos.
Cara endoplasmática:
Actina (citoesqueleto) células animales y vegetales Proteinoquinasa C transducción de señales.
Cara exoplasmática:
Fibronectina: glicoproteína en vertebrados. Interacciones entre fibrillas de fibronectina y microfilamentos de actina en la membrana de
Difusión: Pasaje termodinámicamente
favorable (espontáneo) de moléculas o iones
desde zona con mayor concentración a zona con menor concentración (a favor del
gradiente electroquímico)
Velocidad de pasaje a favor del gradiente químico a través de bicapas lipídicas
depende de la lipofilicidad de la molécula.
NH2 NH2 O
C
CH2 CH2 CH3 C
O
NH NH2
urea N-propil-urea
Permeabilidad
Mecanismos de transporte
Transporte pasivo: Moléculas y iones que pasan a través de membranas a favor de su gradiente electroquímico (utilizan la energía potencial de su gradiente electroquímico) liberando energía.
Esquema de Biología
Exergónicos: procesos o reacciones que llevan al sistema desde un valor mayor a uno menor de G (∆G negativo), liberando energía, ocurren espontáneamente.
Endergónicos: procesos o reacciones que llevan al sistema desde un valor menor a uno mayor de G (∆G positivo), requieren energía por lo que se denominan, no Energía de un sistema capaz de realizar trabajo biológico.
∆G depende sólo de los estados inicial y final, no del camino recorrido para llegar de uno a otro.
Glucosa
CO2 + H2O
∆G = -2480 kJ/mol
∆G = G final - G inicial.
La energía liberada puede tener dos orígenes:
Químico: liberada en procesos catabólicos (glucólisis, ciclo de Krebs, respiración celular)
Lumínico: absorbida por organismos fotosintéticos.
La energía liberada cuando los electrones pasan a favor del gradiente de potencial, impulsa la formación de un gradiente electroquímico de protones a través de las membranas, conocido como Fuerza Protón Motriz (FPM).
La energía necesaria para los procesos endergónicos proviene de rutas metabólicas en las
que se libera energía cuando los electrones pasan desde niveles superiores a inferiores de
energía potencial (∆G negativo) dentro de ciertas membranas (tilacoide, interna de mitocondrias y plasmática de microorganismos).
O
CH3O CH3 Las quinonas (CoQ y plastoquinona)
La quinona CoQ se reduce, toma dos protones de un lado de la membrana transformándose en hidroquinona CoQH2, difunde hacia el otro lado de la misma donde se oxida cediendo sus electrones, y dos protones al espacio inter-membrana.
fosforilación oxidativa
ATPsintasas (20 a 24 polipéptidos)
Sintetizan ATP a partir de ADP + Pi transportando H+ a favor
de su gradiente electroquímico. Presentes en membranas en las que las energías lumínica o química generan gradientes de H+
(tilacoide, interna mitocondrial y plasmática de bacterias).
ADP + Pi
ATP Acoplamiento quimiosmótico: La FPM así generada
La FPM también puede ser utilizada para transportar otros iones y solutos en contra de sus gradientes a través de la membrana. En todos los sistemas biológicos existen formas
equivalentes e interconvertibles de energía
Mecanismo universal de conservación de la energía biológica descripto por Peter Mitchell en su Teoría del acoplamiento quimiosmótico (Premio Nóbel Química 1978) así denominada porque se acoplan gradientes osmóticos a
reacciones químicas.
El potencial de la membrana, los gradientes de concentración de protones (y
otros iones) a través de la membrana, y los enlaces anhídrido entre fosfatos son
Energía química Energía luminosa mitocondria
bacterias aeróbicas
cloroplasto fotosíntesis
membrana
síntesis de ATP
transporte de X e Y
en contra del gradiente movimiento de flagelos ATP
Los complejos F0F1 están ubicados de igual manera en la cara citosólica de la membrana bacteriana, la cara matricial de la membrana mitocondrial interna y la cara estromal de la membrana tilacoides.
Existe un paralelismo entre los procesos de acoplamiento quimiosmótico en la membrana bacteriana, y en las
Transporte pasivo
Difusión simple
Gases (O2, N2, CO2) moléculas pequeñas sin carga
canal, porina uniportadora Iones y metabolitos hidrofílicos no pueden atravesar la
barrera lipídica por difusión simple a pesar de moverse a favor del gradiente electroquímico. Su transporte a través de la membrana es facilitado por proteínas integrales de la misma que los transfieren de un lado al otro sin tocar su
Difusión facilitada
Iones y moléculas hidrofílicas pequeñas, la especificidad del poro depende de los restos aminoacilo que lo forman.
porina (E. coli)
Proteínas triméricas: unidades idénticas forman un barril β β β β con un poro en el centro que permite el pasaje de disacáridos, fosfato y otros nutrientes.
acuaporina
Las
acuaporinas
son proteínas tetraméricas presentes en mamíferos y plantas (tonoplasto y membranaplasmática). Cada polipéptido presenta una estructura de poro y seis hélices transmembrana. Secuencia Asn, Pro, Ala modula la selectividad del poro tan pequeño que las moléculas de agua pasan en fila. Residuos aminoacilo cargados impiden el pasaje de iones.
Monoméricos (Ca +2 y Na+) u oligoméricos (de K+ tetramérico), cada cadena
polipeptídica con un nº variable de secuencias α− hélice transmembrana separados por segmentos en forma de asa (giros), una de las cuales actúa como poro.
Canales catiónicos: algunos exclusivos para K+ o Ca+2, estos últimos fundamentales
en la transducción de señales. Algunos no específicos, por ejemplo: permiten el pasaje de cationes monovalentes.
Canales aniónicos: generalmente menos específicos, permiten el pasaje de Cl–, NO 3–
y ácidos orgánicos. Hay canales específicos para malato en el tonoplasto de vacuolas.
La conformación de los canales iónicos no cambia durante la traslocación de
solutos, su actividad puede ser modulada por pequeños cambios conformacionales en un dominio entre los estados abierto y cerrado (mecanismo de compuerta).
Algunos canales de K+ permanecen abiertos en animales asegurando el potencial
normal de reposo de la membrana.
canal de K+ canales regulados por señal o ligando
K+
Na+ Na+
citosol
canal regulado por voltaje
K+
Na+ +++
- - - ++
siempre abierto
-Mecanismo de compuerta: responde a señales específicas: variaciones en ∆V transmembrana o señales químicas en caras interna o externa de la membrana.
NH 3+
citosol
H1 H2 H3 H4 H5 H6
hélice sensible a ∆V
P
COO
-+ + + + +
Son más específicas que los canales, modifican su conformación al fijar al sitio activo la molécula a transportar, para liberar la molécula del lado opuesto de la membrana.
H1 H2
H3 H4 H5 H8 H9H10
H7
H6 H11 H12
Cadena polipeptídica pequeña hidrofóbica, 12 αααα-hélices transmembrana separadas por
Proteínas uniportadoras
Transportan la molécula a favor del gradiente electroquímico (glucosa y aminoácidos hacia el interior de la vacuola).
Cambios sutiles de conformación debidos a la unión del sustrato al sitio activo lo acercan al otro lado de la membrana.
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1) FPM o el movimiento de otro ión a favor del gradiente electroquímico (cotransporte).
2) la desfosforilación del ATP si está involucrada una ATPasa.
Utilizan FPM o la energía liberada por una molécula o ión moviéndose a favor de su gradiente electroquímico para transportar otra en contra de su gradiente electroquímico
H+
soluto soluto
H+
Procesos en los que se requiere energía para transportar biomoléculas o iones en contra de su gradiente electroquímico a través de la membrana.
Transporte activo
Facilitan el transporte de iones NH4+, NO 3 -,
H2PO4-, K+, SO
4-2 y Cl-.
Otras transportan azúcares, aminoácidos y bases purínicas y pirimidínicas, y liberan sacarosa al floema de las plantas
Proteínas oligoméricas con estructuras que puede variar dependiendo del tipo de bomba, desde muy simples a muy complejas. Las bombas utilizan la energía liberada durante la hidrólisis del ATP para mover iones o moléculas pequeñas a través de la membrana en contra del gradiente electroquímico. Algunas utilizan bombear H+ generando FPM
ATPasas F0 F1 Traslocación de protones: interfase entre a y anillo c.
clase F y V
clase P Superfamilia ABC
ATPasas
ATPasa de Na+/K+ Bomba tipo P. Toma 3 Na+ del citosol liberando 2 K+ en contra de sus
gradientes. La fosforilación de un resto aspartato de la proteína genera un cambio de
conformación, que se revierte al desfosforilarse.
Fosforilación de la proteína y cambio conformacional
Liberación de Na+hacia el
exterior de la célula
Unión de K+
Desosforilación y cambio conformacional de la proteína Unión de Na+
Liberación de K+
célula epitelial Na+ Na+ K+ uniporte de glucosa simporte
Na+glucosa
ATPasa Na+ K+
glucosa
Na+ Ca+2
sacarosa
ATP
ADP + Pi
PPi 2Pi canales +++++ -∆∆∆∆V Cl- NO
3
-pH = 3-6
H+ H+ Na+ Ca+2 sacarosa ATP
ADP + Pi
PPi 2Pi canales +++++ -∆∆∆∆V Cl- NO
3
-pH = 3-6
H+
H+
sacarosa
Las proteínas transportadoras presentan también cambios conformacionales que llevan el sitio de unión de uno a otro lado de la membrana, pero carecen de interacciones de largo alcance con sustratos solubles, velocidades son un poco mayores (103 por segundo).
La abundancia de los distintos complejos proteicos parece ser inversamente
proporcional a la velocidad con que se desempeñan. Las proporción de bombas que generan la FPM necesaria para el funcionamiento de las proteínas cotransportadoras, es en general muy alta comparada con la cantidad de canales.
Velocidad de transporte
ATPasas experimentan cambios conformacionales complejas de largo alcance en
uno o más de las subunidades que las forman, la velocidad con que las moléculas o iones pasan a través de ellas es baja (102 por segundo).
Los canales son muy rápidos (106 - 108 por segundo), dado que no presentan
